Os cientistas fizeram progressos significativos na observação de reações químicas microscópicas. Investigadores de diversas instituições de investigação, incluindo o European X-ray Free Electron Laser Facility (European
Dentro de alguns trilionésimos de segundo após a absorção de um fóton, a molécula sofre rapidamente flexão estrutural, transferência de carga e conversão da energia do elétron em vibrações moleculares. Como esse processo é extremamente curto, é difícil para os métodos experimentais tradicionais capturar detalhes claros. Os pesquisadores escolheram a pequena molécula cíclica 3-fluoropiridina como objeto de pesquisa e usaram os átomos de nitrogênio e de flúor nela contidos como dois pontos de observação independentes. No experimento, os pesquisadores primeiro usaram um feixe de laser de pulso ultravioleta extremamente curto para excitar as moléculas para o estado eletrônico excitado e, em seguida, usaram o pulso de raios X ultravioleta extremo gerado pelo XFEL europeu para remover os elétrons centrais nas camadas profundas de átomos específicos e mediram com precisão as mudanças de energia removidas por esses elétrons, que é a tecnologia de espectroscopia de fotoelétrons de raios X resolvida no tempo (tr-XPS).
Resultados experimentais mostram que diferentes átomos dentro da mesma molécula registram informações completamente diferentes durante o processo de reação: os átomos de nitrogênio que participam do processo de excitação inicial podem refletir mais claramente a dinâmica mista de transferência de carga e mudanças estruturais dentro da molécula; enquanto os átomos de flúor servem principalmente como indicadores do processo de “relaxamento vibracional” da molécula, mostrando como o excesso de energia é redistribuído por toda a estrutura molecular. A pesquisa também mostrou que a excitação óptica pode aumentar a sensibilidade de átomos específicos ao movimento de seus átomos vizinhos.
Combinando esses dados de medição microscópica com simulações numéricas avançadas, a equipe de pesquisa reconstruiu com sucesso todo o processo da molécula movendo-se do estado excitado através da "interseção do cone" (a região crítica onde o estado eletrônico e o movimento nuclear estão fortemente acoplados) e finalmente retornando ao estado fundamental. Esta descoberta não apenas prova que pulsos ultrarrápidos de raios X podem distinguir dinâmicas eletrônicas e movimentos estruturais quase simultâneos, mas também prova as vantagens únicas da observação colaborativa em vários locais na interpretação de reações fotoquímicas complexas. No futuro, espera-se que este método seja estendido ao estudo de mecanismos microscópicos de macromoléculas biológicas mais complexas, materiais orgânicos funcionais e materiais de conversão de energia solar.